防晒霜中含有的纳米二氧化钛会损害地中海底栖藻类Ericaria amentacea的生存能力及其繁殖能力

《Environmental Pollution》：Sunscreen-derived nano-TiO 2 undermines viability and recruitment of the Mediterranean foundation alga Ericaria amentacea

地中海褐藻Ericaria amentacea成体与幼苗在纳米TiO?暴露下的光合作用及氧化损伤机制研究。实验显示纳米TiO?通过渗透积累引发成体光合效率动态变化，幼苗在低浓度下即出现显著光系统损伤和抗氧化应激。首次揭示幼体阶段对纳米污染的高度敏感性，其招募期与旅游旺季重合，可能形成种群更替的生态瓶颈。

　　

萨拉·达布罗斯·布尔奇奥（Sara D’Ambros Burchio）| 萨拉·纳塔莱（Sara Natale）| 马蒂娜·穆拉斯（Martina Mulas）| 斯塔尼斯拉奥·贝维拉夸（Stanislao Bevilacqua）| 弗朗切斯卡·普罗文扎（Francesca Provenza）| 塞雷娜·安塞尔米（Serena Anselmi）| 索菲亚·科米斯（Sofia Comis）| 莫妮娅·伦齐（Monia Renzi）| 安娜丽莎·法拉切（Annalisa Falace）

意大利的里雅斯特大学生命科学系，里雅斯特

摘要

Ericaria amentacea是一种仅分布于地中海的褐藻，正受到人类活动的严重威胁。沿海水域中日益令人担忧的问题是二氧化钛纳米颗粒（nano-TiO₂）的检测频率不断增加，而这种成分广泛存在于商业防晒霜中，但其影响尚未得到充分研究。在这项研究中，我们结合了光生理学、代谢学、生物化学和超微结构分析方法，评估了E. amentacea的幼体和成体在实验室控制条件下暴露于四种不同浓度（0、5、50和500 μg L^?1）的nano-TiO₂后的反应。结果显示，在成体藻体中，nano-TiO₂暴露会导致光合作用效率和初级生产力出现中等但可检测到的变化：低浓度时短暂刺激，高浓度和长时间暴露后效率下降。这些变化伴随着叶绿素a的减少以及抗氧化防御机制的激活，表明存在氧化应激。相比之下，幼体对所有暴露水平都表现出高度敏感性，即使在最低浓度下也出现了PSII效率显著降低、色素丢失和氧化应激加剧的现象。扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM–EDS）分析证实了TiO₂颗粒穿透并积累在藻类组织中，尤其是在幼体中，这反映了它们抵御纳米颗粒附着和吸收的能力有限。总体而言，我们的研究首次提供了机制证据，证明防晒霜中的纳米颗粒会损害这种地中海基础物种的关键生理过程，尤其是其早期生命阶段。这种敏感性尤其值得关注，因为幼体的繁殖期恰好与旅游旺季重合，此时防晒霜的使用量最大，从而对种群更新造成了季节性瓶颈。我们的发现强调了nano-TiO₂对这种特有地中海褐藻的负面影响，凸显了迫切需要研究这些新兴污染物及其对关键生态系统服务提供者的影响。

引言

褐藻Ericaria amentacea（C. Agardh）Molinari & Guiry）是地中海特有的基础物种，在岩石潮间带群落中占据主导地位，并对沿海生态系统功能有重要贡献（Cannarozzi等人，2025年）。作为Cystoseira广义复合体的一部分，E. amentacea提供了结构复杂的栖息地，增强了生物多样性，并支持浅海区域的营养循环和初级生产（Mangialajo等人，2012年；Mineur等人，2015年）。然而，近年来Cystoseira种群数量急剧下降（Thibaut等人，2005年，2014年；Fabbrizzi等人，2020年），主要原因是人为压力，如富营养化、沉积物堆积和直接物理干扰（Benedetti-Cecchi等人，2001年；Milazzo等人，2002年；Arévalo等人，2007年；Strain等人，2014年；Verdura等人，2023年）。沿海水域中新兴污染物的出现进一步威胁了它们的生存，这些污染物可能与已有压力因素协同作用，加剧栖息地丧失（Sales等人，2011年；de Caralt等人，2020年）。其中，防晒霜是海滩水域污染的重要直接来源。人们在娱乐活动中会将化合物从皮肤释放到水中，导致浅海区域浓度升高，可能影响当地生物（Danovaro等人，2008年；Tovar-Sánchez等人，2013年；Sánchez-Quiles和Tovar-Sánchez，2015年）。在旅游旺季，防晒霜污染物的浓度尤为突出（Renzi等人，2012年；Renzi等人，2012年），在游客频繁出没的海域，检测到的防晒霜化合物浓度范围从0.01 μg L^?1到超过1,300 μg L^?1不等（Bratkovics等人，2015年；Downs等人，2016年）。 防晒霜配方通常包含两类紫外线（UV）过滤剂：化学过滤剂吸收并转化为热量，物理过滤剂散射和反射辐射（Fastelli和Renzi，2019年）。后者主要由工程金属氧化物组成，如二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO），通常以纳米颗粒形式存在。纳米颗粒（NPs；1–100 nm）因其独特的物理化学性质而被认为是新兴污染物，这些性质影响其生物可利用性、环境持久性和与生物系统的相互作用（Moore，2006年；Besa等人，2020年）。它们的纳米尺度特性增强了生物可利用性、表面反应性并调节毒性，常常导致与大颗粒不同的生物学效应（Sun等人，2009年；Pettitt和Lead，2013年）。二氧化钛纳米颗粒（nano-TiO₂）因具有紫外线阻挡性能而被允许用于化妆品（WWC，2013年；Hossain等人，2014年），是海洋环境中检测到的最普遍的工程纳米颗粒之一（Turan等人，2019年；Zheng等人，2025年）。在人类活动频繁的地中海沿岸，水柱中的浓度可高达50 μg L^?1（例如Tovar-Sánchez等人，2013年；Labille等人，2020年）。尽管被认为对人体使用安全，但越来越多的证据表明它们具有生态毒性，包括氧化应激、基因毒性和对多种海洋生物（尤其是浮游植物）的生理损害（Miller等人，2012年；Manzo等人，2015年；Xia等人，2015年，2018年；Wang等人，2016年；Fastelli和Renzi，2019年；Luo等人，2020年；Pastorino等人，2022年）。此外，防晒霜中的纳米颗粒可能通过产生活性氧物种加剧海水中的氧化应激，从而改变化学平衡并干扰生态过程（Hanigan等人，2018年）。 鉴于E. amentacea森林的生态重要性及其对多种压力因素的敏感性，在其自然栖息地中检测到nano-TiO₂引发了重大担忧，特别是考虑到该物种受到联合国环境规划署/MAP（1976年，1995年修订）和欧洲委员会（1979年）等国际协议的严格保护。然而，尽管有越来越多的证据表明纳米颗粒具有毒性，但它们对形成栖息地的大型藻类及其所构建的岩石海岸生态系统的具体影响仍知之甚少，亟需进一步研究。 在这里，我们首次在实验室控制条件下实验性地评估了防晒霜中的nano-TiO₂对E. amentacea的影响。我们让成体藻叶和早期发育阶段（幼体）暴露于不同浓度的nano-TiO₂中，包括来自受旅游影响的地中海海岸的实际环境水平。具体目标包括：（i）量化光合作用效率和代谢率；（ii）评估nano-TiO₂颗粒在藻类组织中的渗透和积累；（iii）测量氧化应激和细胞损伤的生物化学标志物。据我们所知，这是首次针对E. amentacea整个生命周期阶段评估nano-TiO₂影响的比较研究。这种综合方法提供了对生理和超微结构变化的全面评估，为防晒霜中纳米颗粒污染的生态风险及其对地中海褐藻森林持续性和恢复能力的潜在影响提供了新的见解。

采样

采样

2024年6月，在意大利热那亚的博利亚斯科（Bogliasco，纬度44°22′40.37″N；经度9°04′35.14″E）的潮间带（温度约为20°C）采集了Ericaria amentacea的藻叶。此时该物种已达到性成熟期（Falace等人，2018a）。共采集了约90片无菌藻叶（长度10–12厘米）和250片带有繁殖器官的顶端藻叶（约3厘米）。为确保样本独立性，藻叶之间的间距至少为40厘米。所有样本均被送往藻类学实验室（里雅斯特大学）。

成体反应

对于rETR_max指标，检测到时间与处理之间的显著交互作用（p < 0.001）。暴露于5 μg L^?1 nano-TiO₂的藻叶在10天后（T1）的rETR_max显著高于暴露于50和500 μg L^{?1的藻叶；而在20天后（T2），两种处理组均未观察到处理效应。从T1到T2，对照组和5 μg L?1处理组的rETR_max均显著下降（图1a）。F_v/F_m在不同处理组间存在差异（p < 0.05），但时间和处理之间无交互作用。在T1时，对照组保持不变}

讨论

本研究为Ericaria amentacea

的生态生理学提供了新的见解，这种形成栖息地的褐藻在构建西北地中海潮间带群落中起着关键作用。通过结合光生理学、代谢学、生物化学和超微结构分析，我们发现防晒霜中的nano-TiO₂干扰了包括光合作用、氧气生产和氧化还原平衡在内的基本过程。反应强烈依赖于发育阶段、浓度和时间

CRediT作者贡献声明

萨拉·达布罗斯·布尔奇奥（Sara D’Ambros Burchio）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源准备，方法论设计，实验设计，数据分析，概念构建。萨拉·纳塔莱（Sara Natale）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论设计，数据分析。马蒂娜·穆拉斯（Martina Mulas）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论设计，数据分析。斯塔尼斯拉奥·贝维拉夸（Stanislao Bevilacqua）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿

科学写作中关于生成式AI的声明

在准备本论文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI，2025年）来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

作者感谢“国家生物多样性未来中心-NBFC”的支持，该中心得到了意大利大学和研究部资助的“国家恢复与韧性计划（NRRP）”第4任务第2组成部分第1.4投资（招标编号3138，2021年12月16日发布，经2021年12月18日第3175号法令修订）的资助，该计划由欧盟支持；项目代码CN_00000033，特许令编号1034，2022年6月17日由意大利大学和研究部通过。